JP5604059B2 - 額縁形鉄心 - Google Patents

Description

本発明は、額縁形鉄心に関するものである。

よく知られるように、変圧器は、磁気回路を構成する鉄心に導電回路を構成するコイルを装着して構成される。鉄心の構造は各種のものがあるが、そのうちの一つに、帯板状の珪素鋼板からなるブロックを適宜積み重ねて構成される積鉄心と称されるタイプのものがある。帯板状のブロックを適宜に配置して磁気回路を構成するため、隣接するブロックの端部同士間の継ぎ目部分にギャップが生じる。そのようなギャップ入りの鉄心において、残留磁束の低減を図りつつ励磁突入電流を低くしたいという要求があり、従来特許文献１に開示された発明が提案されている。

この特許文献１に開示された発明は、長方形状のブロックを適宜に積み重ねて平面ロ字状の積鉄心を構成するもので、各ブロックは、長方形状の珪素鋼板の片面全面或いは両面全面に非磁性の絶縁体或いは金属体を設けた構成とし、そのブロックを積み重ねることで、上下に重ね合わさったブロックの各層間に非磁性の絶縁体等を介在させる構成を採る。

特開平７−９４３４１号公報

上記のように特許文献１に開示された技術では、各ブロックの片面或いは両面全面にわたって非磁性の絶縁体或いは金属体を設けたので、鉄心における磁性体の占有比率が少なくなり、所望の特性を得るためには、大型化・重量化を避けられなくなるといった新たな問題を生じる。そこで、小型化・軽量化を図りつつ励磁突入電流を低くしたいという課題がある。

上述した課題を解決するために、本発明に係る額縁形鉄心は、一対の磁性体からなる継鉄部の少なくとも両端同士を磁性体からなる脚部で連結して構成され、前記継鉄部並びに前記脚部はそれぞれ複数の帯板状のブロックを長手方向に交互にずらしながら積層すると共に、その接合部が傾斜した額縁形鉄心において、前記継鉄部用のブロックと前記脚部用のブロックを接合する継ぎ目部分に連続した状態で非磁性部材を配置し、前記継鉄部用のブロック及びまたは前記脚部用のブロックは、複数枚の珪素鋼板を重ねて構成し、前記複数枚の珪素鋼板を重ねて構成されるブロックのうちの少なくとも１つのブロックは、一方または両方の表面に位置する珪素鋼板が短く、前記継ぎ目部分に重ならないように設定した。この短い珪素鋼板は、実施形態では、符号２２の珪素鋼板であり、一方である下面のみに配置している。このようにすると、鉄心における単位体積（断面積）あたりの磁性体の存在比率がさらに向上するので好ましい。

このような構成を採ることで、実験の結果残留磁束密度が低減していることが確認された。そして、非磁性部材は、継ぎ目部分に連続して配置されることから、継ぎ目部分以外の継鉄部や脚部の全面に配置されず、継鉄部並びに脚部における磁性体の存在比率を多くする（非磁性部材の存在比率を少なくする）ことができ、小型化・軽量化を図ることができる。

前記非磁性部材は、非磁性のシート部材を折り重なることなく折り曲げて構成されるようにした。シート部材の材質は、所望の樹脂フィルムでも良いし、絶縁紙その他の各種の材料からなるシート部材を用いることができる。具体的には、例えば、高分子製フィルム、高分子製繊維シート、表面コーテイングシート、樹脂含浸シート、絶縁紙、不織布、ガラスクロスシート等を用いることができる。適宜に折り曲げることから、延伸性や強度のある樹脂フィルムを用いるのが望ましい。前記非磁性部材は、非磁性の塗料を塗布して構成することもできる。このようにすれば、接合面が凹凸であっても簡単に非磁性部材を配置することができる。

前記継鉄部用のブロック及びまたは前記脚部用のブロックは、複数枚の珪素鋼板を重ねて構成されるとよい。このようにすると、残留磁束密度は減少し、枚数が多いほどその減少の程度は多くなる。

本発明では、継鉄部と脚部の接合部の継ぎ目部分に連続して非磁性部材を配置することから、鉄心における磁性体の存在比率の低下を抑制し、小型化・軽量化を図りつつ励磁突入電流を低くすることができる。

本発明の好適な一実施形態を示す平面図である。 その断面図である。 組み立て方法の一実施形態を示す図である。 本発明の好適な他の一実施形態を示す平面図である。 実験結果を示すグラフである。

図１は、本発明に係る鉄心の一実施形態を示す平面図であり、図２は、継ぎ目部分の断面図である。本実施形態の鉄心１は、上下に配置される一対の継鉄部（「ヨーク部」とも称する）２の両端同士が脚部３で接合されて平面ロ字状に構成される。そして、継鉄部２と脚部３は、共に方向性珪素鋼板を用いて構成さる。その継鉄部２と脚部３の接合面は、４５度傾斜させるとともに、接合面同士を適宜に重ね接合することで、いわゆる額縁形鉄心を形成している。なお、本実施形態では、接合部が４５度で傾斜しているが、その角度は、傾斜を３０度や６０度など、任意の角度（鋭角）とすることができる。

すなわち、図２に示すように継鉄部２は、帯板状の複数個の継鉄部用ブロック２０を積層して構成され、同様に脚部３は、帯板状の複数個の脚部用ブロック３０を積層して構成される。継鉄部用ブロック２０並びに脚部用ブロック３０は、それぞれ複数枚（ｎ枚）の帯板状の方向性珪素鋼板を重ねて構成される。各方向性珪素鋼板は、圧延方向を長手方向の両端が４５度傾斜する等脚台形の平面形状からなる。

そして、各継鉄部用ブロック２０は、積層するに際し、長手方向に交互に所定距離Ｘだけずらす。これにより、各継鉄部用ブロック２０は、交互にその片側の先端が所定距離Ｘだけ側方に突出するようになる。同様に、各脚部用ブロック３０も長手方向に交互に所定距離Ｘだけずらして積層する。このとき、隣接する継鉄部用ブロック２０と脚部用ブロック３０は、ずらす方向を逆にし、それぞれのブロックの突出した先端は、相手方の引っ込んだ空間内に入り込む。

ここで本発明では、継鉄部２と脚部３の接合部（つなぎ部）間に連続した絶縁性・非磁性のシート部材５を配置した。このシート部材は、薄い樹脂フィルムや、絶縁紙等の適宜折り曲げ等容易に変形できる材質のものを用いて構成できる。つまり、各ブロック２０，３０の先端側面２０ａ，３０ａ同士が対向する突き合わせ部と、先端側の上下面２０ｂ，３０ｂ同士が対向する重ね部に、連続した状態でシート部材５が配置される。これにより、隣接する継鉄部２と脚部３の接合面には、少なくともシート部材５の膜厚のギャップが確保される。そして、継鉄部２から脚部３並びに脚部３から継鉄部２へと流れる磁束は、その非磁性のシート部材５を通過して移動することになる。

また、図から明らかなように、シート部材５を配置するのは、所定距離Ｘで重なった接合部の領域のみであり、それ以外の継鉄部２と脚部３とが重ならない部分では、それぞれ継鉄部用ブロック２０並びに脚部用ブロック３０からなる方向性珪素鋼板からなる磁性体が存在することになる。よって、特許文献１に示すように、ブロックの表面全面に非磁性体を配置するものに比べて鉄心における単位断面積あたりの磁性体の量を大きくすることができる。その結果、小型化・軽量化が図れる。

さらに、本実施形態では、継鉄部用ブロック２０と、脚部用ブロック３０は、共に１０個のブロックを積み重ねて継鉄部２と脚部３を構成している。そこで、適宜位置のブロックは、最下方の１枚の方向性珪素鋼板の長さを所定距離Ｘ或いはそれ以上短いものを用い、ｎ−１枚の基準長さの等脚台形からなる方向性珪素鋼板２１と、短い方向性珪素鋼板２２を一方の端面をそろえて重ね合わせて一体化する。これにより、他方の端面側では、寸法の短い方向性珪素鋼板２２の先端位置が、継鉄部用ブロック２０の端部から所定距離Ｘだけ手前側に位置する。よって、各ブロック２０，３０を重ねた際に、係る寸法の短い方向性珪素鋼板２２は、接合部分における重ね部に存在しない構成を採る。

その結果、接合部の領域のみにシート部材５を配置したことにより、その接合部の厚さ（高さ）がかさみ、接合部分以外の領域で上下のブロック間で空間があくが、上記の寸法の短い方向性珪素鋼板２２を設けることで、当該空間の一部を埋め、珪素鋼板の存在（占有）比率をさらに高くすることができる。
なお、図示省略するが、脚部３側においても、所定の脚部用ブロック３０において、同様の構成を採るとよい。

係る構成の鉄心は、以下に示す手順により構成することができる。まず、所定形状の珪素鋼板を用意し、ｎ枚ずつ重ねて一体化した各ブロック２０，３０を用意する。そして、例えば、１０個の継鉄部用ブロック２０を長手方向に交互にずらしながら積層し、ボルト等で連結して一体化することで継鉄部２を形成する（図３（ａ））。

継鉄部２の両端（実際には片方ずつ）近傍に、その端面を覆う（隠す）ように絶縁性・非磁性のシート部材５を配置する（図３（ｂ））。次いで、下方から順番に、そのシート部材５を挟んで対向配置させた脚部用ブロック３０の先端を、継鉄部用ブロック２０間の接合部に挿入する（図３（ｃ））。この挿入作業に伴い、シート部材５は、各ブロック２０，３０の端面形状に合わせて適宜折れ曲がり、継鉄部２と脚部３の接合部（つなぎ部）間に連続した形状で配置されることになる。このように、非磁性体としてシート部材５を用いたため、継鉄部２，脚部３の端面を覆う位置にシート部材を垂れ下げた状態で配置し、所定のブロックを順次押し込むことで簡単に組み立てることができる。

また、上記の説明では、継鉄部２を先に形成し、それに対して脚部用ブロック３０を適宜装着するようにしたが、これとは逆に脚部３を先に製造しても良い。また、継鉄部２と脚部３の一方を先に形成するのではなく、継鉄部用ブロック２０と脚部用ブロック３０を適宜組み合わせながら積層して製造するようにしてももちろん良い。

さらにまた、本実施形態では、非磁性体としてシート部材５を用いたが、本発明はこれに限ることはなく、各種の非磁性体を用いることができる。一例を示すと、接合部に非磁性の塗料を塗布することにより実現することができる。これは、例えば、図３（ａ）に示すように、継鉄部２が形成されたならば、その先端面に対して所定の塗料を塗る。次いで、脚部用ブロック３０を適宜装着することで鉄心を製造することができる。塗料は、接合する隣接するブロックの内、少なくとも片側に塗布すればよいので、図の例では、脚部２側のみに塗布すれば足りる。もちろん、それとは逆に組み立てた継鉄部２には塗料を塗布せず、脚部用ブロック３０の先端に塗料を塗布し、それを継鉄部２に組み付けるようにしても良い。

図４は、別の実施形態を示している。本実施形態では、三相用の額縁形鉄心に適用した例を示している。すなわち、三相用であるので、中央の脚部４の両端は、直角に等辺三角形状に形成され、それと接合する継鉄部２の一辺の中央にはＶノッチ２ａが形成される。これにより、中央の脚部４と継鉄部２の接合部は、Ｖ形になる。

本実施形態においても、上記と同様に、左右の脚部３と継鉄部２との接合部はもちろんのこと、中央の脚部４と継鉄部２との接合部（つなぎ部）においても連続した絶縁性・非磁性のシート部材５を配置した。各接合部における断面図は、図２と概略同様になる。また、この三相のタイプにおいても、上記と同様に、シート部材に変えて非磁性の塗料を用いることもできる。

さらに、上記の各実施形態及び変形例において、従来の額縁形鉄心では、各ブロックは、１枚の珪素鋼板を使用することが多かったが、本実施形態のようにｎ枚とすることで残留磁束密度が低下し、その枚数を多くするほどその低下の効果が高くなることが確認できた。

図５は、本発明の効果を実証するための実験結果を示すグラフである。図５（ａ）は、比較例としての通常の額縁形鉄心（シート部材未挿入）に所定のコイルを装着し、励磁電流に対する磁束密度の特性を求めたものである。なお、１ブロックあたりの珪素鋼板の枚数はＮ枚とした。定常磁束密度に対する残留磁束密度の割合は、５７％程度となっている。図５（ｂ）は、１ブロックあたりの珪素鋼板の枚数を増やした（３Ｎ枚）額縁形鉄心（シート部材未挿入）の磁束密度−励磁電流特性を示している。なお、１ブロックあたりの枚数を増加させたことに伴い、積み重ねるブロックの数は減らす。また、いずれの額縁形鉄心も、図４に示す三相タイプのもので、その平面形状は同一寸法とした。

図に示すように、定常磁束密度に対する残留磁束密度の割合は、４０％程度になり、低減される。図５（ｃ）は、本実施形態の額縁形鉄心であり、図５（ｂ）に示した１ブロックあたり３Ｎ枚の珪素鋼板を積層したものを用いると共に、接合部にシート部材を連続して配置したものについての磁束密度−励磁電流特性を示している。図に示すように、Ｎ枚のときの定常磁束密度に対する残留磁束密度の割合は、２０％程度に低減され、同じ鉄心構造（１ブロックあたり３Ｎ枚）のものに比べて半減していることが確認できる。

１ 鉄心
２ 継鉄部
３ 脚部
４ 脚部
５ シート部材
２０ 継鉄部用ブロック
３０ 脚部用ブロック

Claims (3)

1. 一対の磁性体からなる継鉄部の少なくとも両端同士を磁性体からなる脚部で連結して構成され、前記継鉄部並びに前記脚部はそれぞれ複数の帯板状のブロックを長手方向に交互にずらしながら積層すると共に、その接合部が傾斜した額縁形鉄心において、
   前記継鉄部用のブロックと前記脚部用のブロックを接合する継ぎ目部分に連続した状態で非磁性部材を配置し、
   前記継鉄部用のブロック及びまたは前記脚部用のブロックは、複数枚の珪素鋼板を重ねて構成し、
   前記複数枚の珪素鋼板を重ねて構成されるブロックのうちの少なくとも１つのブロックは、一方または両方の表面に位置する珪素鋼板が短く、前記継ぎ目部分に重ならないように設定していることを特徴とする額縁形鉄心。
2. 前記非磁性部材は、非磁性のシート部材あるいは非磁性の塗料を塗布したであることを特徴とする請求項１に記載の額縁形鉄心。
3. 前記非磁性部材は、連続した非磁性のシート部材を折り重なることなく折り曲げて構成されることを特徴とする請求項１に記載の額縁形鉄心。

Images